無管式小麥播種機電控排肥裝置設計與試驗*

韓連杰，俞金金，金佳俊，謝東升，張居正，張瑞宏

(揚州大學機械工程學院，江蘇揚州，225127)

0 引言

近年來，我國現代農業科學研究一直朝精準化方向前進，精準農業可確保在獲得較高經濟效益的同時有效保證農業可持續發展，變量施肥是精準農業的重要組成部分[1-3]。變量施肥技術可以根據土壤營養狀況、作物品種等因素進行按需施肥，不僅可以提高肥料的利用率，使作物產量進一步提高，而且可以減少肥料對水土的污染[4]。但是，目前我國大部分地區仍然使用粗放式的平均施肥方式，導致肥料的實際利用率降低到30%左右[5]。

人工難以完成精確的變量施肥，因此需要依靠可自動變量施肥的農機具來完成變量施肥作業。而排肥器是農機具上進行施肥的關鍵部件，現有的變量排肥器設計主要包括外槽輪式、離心式、螺旋式、振動式、星輪式等[6]。國內外專家學者對此做了大量研究。Alameen等[7]利用氣缸進行實時自動調節開度，研發一個雙變量施肥試驗臺。頓國強等[8]設計了一種肥料調配裝置，安裝在外槽輪排肥器下端，較好的改善了排肥量脈動的現象。齊興源等[9]基于空氣流輸送方式設計了一種外槽輪排肥氣力式變量施肥機。

因為顆粒肥有不易粉化，粒度均勻等優勢，所以我國多使用顆粒肥。而外槽輪式排肥器又因其結構簡單可靠，實用性強，成本較低而被廣泛應用[10]。本文針對適用顆粒肥的外槽輪式排肥器進行設計，使用電機驅動外槽輪式排肥器，通過試驗分析驅動電機轉速、外槽輪工作長度與施肥量之間存在的關系，以期為提高電控排肥器施肥均勻性和精確性提供參考。

1 結構設計

1.1 總體結構

機具主要由基肥箱、三點懸掛機構、雙軸旋耕裝置、中間傳動箱、液壓舉升裝置、前鎮壓輥輪、壓溝輪組、貼地播種箱、肥箱、覆土刀組、后鎮壓輥輪、機架、開溝裝置等部件組成，使用三點懸掛機構與拖拉機連接，機具結構如圖1所示。

圖1 整機結構圖

雙軸旋耕裝置包括第一旋耕刀組、第二旋耕刀組，兩組旋耕刀在空間上下分開布置，提高了耕深和秸稈還田效果。前鎮壓輥輪用于對深耕后的土壤進行鎮壓平整。壓溝輪由側邊傳動軸驅動完成開溝作業。電機驅動外槽輪排肥器，通過控制電機轉速來調整排肥器的排肥量。覆土刀組通過切削土壤來覆蓋種子。后鎮壓輥輪對播種后的土壤表面進行鎮壓。同時配備有北斗導航自動駕駛系統，為機具的精準作業提供保障[11]。

1.2 工作流程

機具工作流程如圖2所示。機具通過三點懸掛與拖拉機連接，拖拉機后輸出軸將動力傳遞到中間傳動箱，中間箱體將動力向兩側齒輪箱傳遞并驅動前后旋耕軸實現旋耕作業。旋耕作業同時，位于機具前方的基肥箱通過電控排肥器將基肥由排肥管排出灑落在未耕土壤表面，經過深旋耕過程實現埋田，與土壤混合，減少揮發，保證土壤肥力。前鎮壓輥輪隨著機具前進，對旋耕后的土壤表面進行鎮壓，保證土壤耕后的平整度，有利于后續壓溝輪組進行壓種肥溝作業。主傳動軸動力經萬向節傳遞至機具一側轉向器，驅動壓溝輪完成壓溝作業。貼地播種箱和種肥箱均安裝了外槽輪式電控排種(肥)器，排種器在電機的驅動下完成排種作業，種子播撒在種溝內且呈寬帶離散型分布，排肥器也在電機驅動下將種肥均勻播撒在種溝兩側，保證種子出芽過程的養分需要。在此之后，覆土刀組通過反旋實現高速旋轉過程中切削土壤，完成對種溝的覆蓋。后鎮壓輥輪對播種后的土壤表面進行鎮壓平整。最后，深度可調式開溝輪完成排水溝作業，工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程示意圖

1.3 排肥器結構設計

電控驅動排肥器是該機具上實現變量施肥的核心部件，其結構如圖3所示。

圖3 外槽輪電控排肥器示意圖

該排肥器主要由毛刷、外槽輪、擋圈、排肥器殼體、阻塞輪、聯軸器、嚙合軸和電機等組成。外槽輪、阻塞輪、兩端擋圈和清種毛刷安裝在排肥器外殼上，排肥器外殼作為支架可與種肥箱與排肥管等外部裝置連接。電機通過聯軸器和嚙合軸與外槽輪連接，驅動外槽輪轉動。外槽輪有效工作長度可調節，阻塞輪與外槽輪不僅同軸，外徑尺寸也相同，移動阻塞輪的軸向位置可改變外槽輪有效工作長度[12-13]。

機具在作業時，控制單元從北斗導航自動駕駛儀獲取機具的實時前進速度[14]，處理后控制調節外槽輪電控排肥器的轉速以實現自適應控量排肥，從而保證排肥的均勻性。

2 排肥器控制系統設計

2.1 系統總體設計

控制系統由STM32單片機、轉速傳感器、電機驅動器、電機組成，如圖4所示。為了提高施肥的準確性和均勻性，排肥器驅動電機的轉速采用閉環控制，將傳動輥輪的轉速測量值作為反饋系統的輸入參數，結合每公頃施肥量的期望值，通過PID算法，調節PWM波的占空比，控制排肥器外槽輪達到目標轉速[15]。此外，傳動輥與排肥器的轉速通過串口實時向計算機輸出，便于對系統工作狀態進行分析和參數標定。

圖4 控制系統結構圖

2.2 系統硬件設計

系統硬件實物如圖5所示。采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片以Cortex-M3為內核，工作頻率最高為72 MHz，擁有48K字節的SRAM，其板載資源有ADC、IIC、UART等，并且可以直接輸出PWM信號控制電機驅動器。

圖5 系統實物圖

采用15 A大功率直流電機驅動模塊作為排肥器電機的驅動器，此驅動器使用的MOS管型號為NCE80H11。驅動板輸入電壓為12 V，PWM有效范圍為0.1%～100.0%，額定工作電流12 A，能夠滿足排肥器電機的驅動要求。為了防止驅動板燒壞，在電源的輸入端串聯20 A的保險絲。

采用555行星減速電機驅動外槽輪排肥器。其額定電壓為12 V，空載轉速為120 r/min，減速比為50，額定力矩為16 kg/cm，能夠滿足外槽輪排肥器的驅動要求。

采用光電轉速傳感器對外槽輪排肥器和帶傳動驅動輥轉速進行測量，將碼盤放置在紅外發射管和接收管之間，碼盤轉動會使光電轉速傳感器產生脈沖信號，通過測量一定時間的脈沖次數即可獲得電機的轉速。

采用電位器控制傳動輥的轉速，通過調整電位器的電阻值，從而改變電位器分得的電壓，并使用STM32單片機上的ADC資源測量該電壓值，并輸出PWM控制電機驅動器。

2.3 系統軟件設計

系統的軟件流程圖如圖6所示。系統工作時，通過矩陣鍵盤向系統輸入目標單位面積施肥量和外槽輪排肥器的有效工作長度，并通過電位器控制傳送帶速度。系統檢測帶傳動驅動輥的轉速從而得到機具的前進速度。此時系統可以根據機具的前進速度、外槽輪排肥器的工作長度和目標單位面積施肥量計算出當前時刻排肥器的目標轉速。檢測當前時刻的排肥器實際轉速，并獲得排肥器的實際轉速與目標轉速的偏差，通過PID計算，并輸出PWM波控制電機驅動器。

排肥器電機轉速與目標單位面積施肥量、外槽輪排肥器的有效工作長度、傳送帶速度的關系可由式(1)確定。

(1)

式中：V(t)——t時刻傳送帶的速度，km/h；

d——傳動輥的直徑，mm；

n0(t)——t時刻傳動輥的轉速，r/min；

S(t)——t時刻的作業面積，hm2；

D——播種行距，cm；

Z——排肥器的個數；

Q——目標單位面積施肥量，kg/hm2；

M(t) ——t時刻的目標施肥量，kg/hm2；

N(t)——t時刻目標排肥器驅動電機轉速，r/min；

q——外槽輪排肥器每轉的排量，g/r；

L——外槽輪排肥器的有效工作長度，mm；

k——比例系數；

c——常數。

由式(1)可推導出排肥器驅動電機的目標轉速與傳送帶速度、外槽輪排肥器有效工作長度的關系為

(2)

圖6 軟件流程圖

3 電控排肥平臺試驗分析

3.1 試驗設備

電控排肥裝置試驗平臺由傳送帶張緊裝置、傳送帶、電控排肥器、排肥器轉速傳感器、驅動電機、傳送帶速度傳感器和控制箱組成，如圖7所示。

圖7 試驗臺結構圖

試驗平臺工作時，由電機驅動外槽輪式排肥器進行排肥，通過控制電機轉速，達到精確控制施肥量的目的，并由固定在外槽輪排肥器外殼上的光電轉速傳感器獲得實時轉速，轉速通過控制箱串口實時發送到計算機。固定在平臺機架上的傳送帶驅動電機以鏈傳動的方式驅動傳動輥輪，傳動輥輪驅動傳送帶運動，固定在平臺機架上的光電轉速傳感器獲得傳動輥輪的實時轉速，此轉速作為控制排肥器電機轉速的輸入參數，并通過控制箱串口實時發送到計算機。傳送帶驅動電機轉速可由電位器調節，用以試驗不同工作速度下的施肥工作情況。平臺尾端的從動輥由兩根螺栓連接在平臺上，通過轉動螺栓可以調節從動輥相對于傳動輥的距離，達到調節傳送帶張緊力的目的。排肥口相對于傳送帶的高度可調，用以實現不同的施肥高度。試驗平臺工作時，排肥器固定在平臺上不動，傳送帶與排肥器相對運動，模擬排肥器在田間的工作過程。此外，試驗設備與材料還包括電子秤、肥料收集容器、尿素肥料。

3.2 試驗方法

選用尿素作為試驗肥料，粒度范圍0.8～2.0 mm，用電子天平對排肥量進行測量，使用秒表控制試驗時間。調整外槽輪有效工作長度為25 mm、35 mm和45 mm，在轉速分別為20、25、30、35、40 r/min的工作條件下，測量工作1 min的排肥量。每組試驗重復3次，并記錄數據。通過對排肥量與外槽輪有效工作長度和轉速的數值分析，標定施肥量控制系統的參數。最后，在系統中設定目標施肥量，試驗在工作速度為3 km/h、5 km/h和7 km/h時，在單位工作時間內，測量實際施肥量。計算實際施肥量與目標施肥量的偏差，用于分析系統準確性。

3.3 結果與分析

通過試驗測出電控排肥器在有效工作長度為25 mm、35 mm和45 mm時，分別對應轉速為20、25、30、35、40 r/min的工作條件下，工作1 min的排肥量。每組試驗重復3次，取平均值。最后分別做出在不同轉速下，平均每轉的排肥量與電機轉速之間的平滑線散點圖，如圖8所示。從圖8中可以看出，排肥器在10～20 r/min轉速區間內平均每轉的排肥量變化較大，且隨著轉速的升高，平均每轉的排肥量也逐漸升高，在20～40 r/min轉速區間內平均每轉排肥量穩定性較好。

圖8 排肥器轉速與平均每轉排肥量關系曲線

在每轉排肥量穩定性較高的速度區間內，求得在有效工作長度為25 mm、35 mm和45 mm條件下的平均每轉排肥量為37.9 g、54.2 g和67.4 g。對有效工作長度和平均每轉排肥量進行線性擬合，如圖9所示。

圖9 外槽輪有效工作長度與平均每轉排肥量關系曲線

得到外槽輪排肥器有效工作長度和平均每轉排肥量的函數關系為q=1.474L+1.587 6，線性擬合的可決系數大于0.99，擬合優度較好。由此可得式(2)中的k為1.474，c為1.587 6。

結合機具相關參數和式(2)，在外槽輪有效工作長度為25 mm、35 mm和45 mm，機具作業速度范圍為3～7 km/h，排肥器轉速范圍為20～50 r/min的工作條件下，得出施肥量與機具作業速度、排肥器轉速、外槽輪有效工作長度的關系，如圖10所示。在上述參數選擇區間內，機具的施肥量在77.6～452.8 kg/hm2范圍內可調。

圖10 施肥量與排肥器轉速和工作速度的關系

設定系統的目標施肥量為150 kg/hm2，調節外槽輪排肥器的有效工作長度為35 mm，通過電位器設定工作速度為3 km/h、5 km/h和7 km/h，測量系統的實際施肥量，試驗3次，取平均值，試驗數據如表1所示。工作速度在3 km/h、5 km/h和7 km/h的情況下，測得實際施肥量和目標施肥量的相對誤差分別為5%、2.5%和6.5%。誤差均在15%以下，滿足施肥精確性的要求。

表1 實際施肥量與目標施肥量對照Tab. 1 Comparison between actual fertilization and target fertilization

4 田間試驗

4.1 試驗區概況

參照NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規范》(下稱《規范》)，進行電控驅動外槽輪排種器的檢驗。試驗于2020年11月10日在江蘇省揚州市江都區宜陵鎮七里村(119.700°E,32.522°N)進行，選用肥料為尿素，粒度范圍0.8～2.0 mm。

4.2 試驗設備

采用配備北斗農機自動駕駛儀的雙軸深耕勻混智能化貼地播種復式作業機進行施肥試驗，并將上述排肥器試驗平臺的控制系統安裝在機具上，外槽輪排肥器有效工作長度為25 mm，如圖11所示。使用東方紅1204拖拉機作為動力機械，作業速度3～5 km/h。

圖11 試驗設備

4.3 試驗項目與方法

4.3.1 施肥均勻性試驗

該試驗為靜態試驗，該機具排肥口共15個，間隔選取8個排肥口進行試驗，按式(3)～式(5)計算各行的排肥量一致性的標準差和變異系數。按照《規范》要求，各行排肥量一致性變異系數應該≤13%。

(3)

(4)

(5)

式中：xi——每行各次平均排量，g；

x——每行各次平均排量的平均值，g；

S——各行排肥量一致性的標準差，g；

V——各行排肥量一致性的變異系數，%；

n——測定行數。

試驗設定的轉速分別為25、30、35、40 r/min，將塑料小桶放在被測試排種口下端，每次收集肥料時間為3 min，收集結束后對每個小桶中的肥料質量進行稱量，每種轉速試驗重復3次并取平均值。

4.3.2 施肥準確性試驗

施肥準確性用施肥量偏差進行評估，施肥量偏差用式(6)進行計算。按照《規范》要求，施肥量偏差需控制在15%以內。

(6)

式中：γs——施肥量偏差，%；

Wq——試驗前肥箱內化肥重量，kg；

Wh——試驗后肥箱內剩余化肥重量，kg；

A——施肥作業面積，m2；

F——給定施肥量，kg/hm2。

將期望施肥量分別設定為150、200、250 kg/hm2。

試驗區為10塊2.5 m×100 m的區域。每塊區域作業前后稱量肥箱中肥料的質量并記錄數據。

4.4 結果與分析

4.4.1 施肥均勻性

不同轉速下每行排肥器的排肥量見表2。選取的8個排肥器在不同轉速下工作3 min 排肥量的統計情況，計算得出各行排肥量的變異系數在0.82%～1.72%之間，滿足變異系數≤13%的要求；隨著轉速的提高，各行排肥量基本呈線性增加，同時變異系數減小，施肥均勻性提高。

表2 不同轉速下每行排肥器的排肥量Tab. 2 Amount of fertilizer per row of fertilizer exhauster at different rotation rate

4.4.2 施肥準確性

表3表示了不同目標施肥量下實際施肥量與目標施肥量的偏差，隨著目標施肥量的升高，實際施肥量與目標施肥量的偏差逐漸減小，這是由于目標施肥量的增加導致排肥器的轉速升高，使得排肥器的排肥穩定性提高。在目標施肥量為150、200、250 kg/hm2的情況下，實際施肥量與目標施肥量的偏差范圍分別為2.46%～7.68%、0.92%～6.35%和0.86%～5.88%。均滿足施肥量偏差控制在15%以內的要求。

表3 不同目標施肥量下實際施肥量與目標施肥量的偏差Tab. 3 Deviation between actual fertilizing amount and target fertilizing amount

5 結論

本文針對無管式小麥播種機械對變量施肥效果的技術需求，設計基于PID算法的電控排肥裝置，搭建了電控排肥器試驗平臺并進行參數試驗，得到外槽輪排肥器在不同轉速、外槽輪有效工作長度的條件下的排肥量。對外槽輪有效工作長度和平均每轉排肥量進行最小二乘法線性擬合，得出外槽輪有效工作長度和平均每轉排肥量的函數關系為q=1.474L+1.587 6。在20～40 r/min轉速區間內排肥量穩定性較好，并得出在外槽輪有效工作長度范圍在25～45 mm，機具作業速度范圍在3～7 km/h，排肥器轉速范圍為20～50 r/min的工作條件下，機具的施肥量在77.6～452.8 kg/hm2范圍內可調。

將設計的電控排肥裝置搭載在貼地播種復式作業機上。田間試驗結果表明，向系統輸入目標施肥量和外槽輪的有效工作長度后，驅動電機的轉速能夠基于機組前進速度自動調節。同時，在25～40 r/min轉速區間內，各行排肥量變異系數小于1.72%，排肥均勻性良好；在目標施肥量為150、200和250 kg/hm2時，實際施肥量與目標施肥量的偏差均小于7.68%，滿足施肥量偏差≤15%的要求，施肥準確性較高。